Большой адронный коллайдер – фабрика открытий новых адронов

Фрагмент БАК, сектор 3-4

© Wikimedia Commons

Коллаборация одного из экспериментов Большого адронного коллайдера, LHCb, в которую входит также и группа ученых Высшей школы экономики, опубликовала сообщение об открытии новых тетракварков – экзотических адронов, состоящих из четырех кварков. Эти открытия стали возможны благодаря массивным выборкам данных, собранным экспериментом LHCb при помощи алгоритмов, разработанных в ВШЭ.

Большой адронный коллайдер (БАК) – это установка длиной 27 километров в Европейской организации по ядерной энергии (ЦЕРН), в которой ускоренные до 0.999999991 от скорости света протоны сталкиваются внутри четырех больших экспериментов. Адроны (греч. ἁδρός, что означает «крупный, массивный») – класс частиц, к которому в частности принадлежат протоны, что объясняет происхождение слова «адронный» в названии БАК.

До 1960-х годов адроны считались простейшими частицами, которые составляют вещество. Только в 1964 году, была предложена гипотеза о том, что адроны могут состоять из кварков и антикварков. Комбинации кварков могут находиться как в квантово-механическом состоянии с наименьшей энергией – основном состоянии, так и подобно электронам в атомах, кварки могут наблюдаться в возбужденных состояниях с различными значениями углового момента и ориентацией спинов кварков. Следуя традиции физики элементарных частиц, все эти квантовые состояния называются адронами и, в более общем смысле, частицами.

В кварковой модели адроны состоят из двух или более кварков связанных сильным взаимодействием. Они также сильно взаимодействуют между собой, как, например, протоны и нейтроны в ядре атома. Частицы, состоящие из пары кварк-антикварк, называются мезонами, состоящие из трех кварков (или трех антикварков) – барионами, из четырех – тетракварки, их также называют – экзотическими адронами. Также были открыты еще более редкие пентакварки.

В столкновениях протонов на БАК образуется огромное количество адронов. Однако для того, чтобы их эффективно реконструировать, а значит экспериментально наблюдать, требуются высококлассные детекторы.

На рисунке, взятом из новостей ЦЕРН показаны новые адроны, открытые на БАК с момента его запуска в 2010 году. Цвет символа, сопровождающего имя адрона, указывает на содержание кварков частиц. Адроны сгруппированы  согласно их массе и году открытия.

За 11 лет работы БАК учеными, сотрудниками научных коллабораций ATLAS, CMS и LHCb было обнаружено 59 адронов: в среднем почти по одному каждые два месяца. «Очевидно, что Большой адронный коллайдер в ЦЕРН – это огромная фабрика по обнаружению адронов. 52 из 59 открытых на БАК адронов были открыты учеными коллаборации LHCb, в которую входит также и группа исследователей ВШЭ», – говорит ведущий научный сотрудник ФКН ВШЭ Федор Ратников.

Четыре новых экзотических адрона были добавлены коллаборацией LHCb к этому списку сегодня. Два из этих новых тетракварков, Zcs (4000) + и Zcs (4220) +, состоят из (c anti-cus). Два других новых тетракварка, X (4685) и X (4630), состоят из c anti-c и s anti-s кварков.

НИУ ВШЭ присоединился к эксперименту LHCb в 2018 году. Группа, базирующаяся на факультете компьютерных наук ВШЭ совместно с исследователями Школы анализа данных Яндекса, приложила много усилий для оптимизации отбора интересных событий в реальном времени, улучшения качества идентификации различных типов частиц в детекторе. Большое количество данных, необходимых для совершаемых LHCb открытий обрабатывается алгоритмами, разработанными на факультете.

«Эти и другие улучшения стали возможны благодаря высочайшей экспертизе в области методов машинного обучения, накопленной на ФКН и использованной для получения экспериментом наилучших физических результатов», – подчеркивает Федор Ратников.

В настоящий момент на БАК проходит существенная модернизация. Начало следующей серии работы ускорителя запланировано через год. Коллективы ученых готовят эксперименты к набору новых данных, к новым современным методикам их обработки и новым открытиям.